基于设备图元数据库的短路电流计算

李晓龙，丁 倩

(1．国网河北省电力公司，河北 石家庄050021;2．国网河南省电力公司 商丘供电公司，河南 商丘476000)

0 引言

计算变电站一次设计的短路电流是一项既繁琐费时又重要的工作。在一次电气设计［1，2］过程中，为选择电气设备，需要根据短路电流实际情况来校验设备的电动力与热稳定;进行继电保护装置的整定计算时，需要根据短路电流最大值计算多种电气元件的整定值［3］。所以，高效方便的短路电流计算程序的开发是十分重要的。

网络拓扑结构分析是进行短路计算的基础，传统的网络拓扑分析都是基于特定的数据结构来描述的，但是这种做法的最大缺点是通用性和可扩充性差。另外，传统的短路电流计算程序缺乏良好的用户界面，网络原始数据输入工作量大且易出错，结果显示不直观。

为了寻找一种操作方便和适合变电站主接线图特点的短路电流计算程序，本文在研究变电站关键设备及其电气属性的基础上，提出通过人机交互方式，实现图形数据库一体化［4，5］，进而自动生成电气主接线图，并且根据数据库中设备电气及图元坐标关系给出了基于母线的拓扑分析算法，实现了短路电流快速而准确的计算。最后通过实际算例，验证了文中方法的有效性和正确性。

1 数据库的设计与ADO 连接

在Autocad 的modelspace 界面上的电气主接线图，与其相连的后台是一个庞大的数据库，数据库是整个软件的核心部分，通过数据库里存储的设备图元的图形参数和电气参数进行自动网络拓扑分析和短路电流的计算。整个软件基于易于实现可视化编程的VBA 语言和Access2003 相结合的数据库设计与接口［6］。

1.1 设备图元数据库的设计

为了实现设备的电气参数自动网络拓扑分析和短路电流的计算，需要基于设备的电气参数和图元的图形参数数据，这些数据存储在可以被AutoCAD 任意操作的数据库中。文中的电气参数与图形参数共用一个数据库，为方便调用，母线、电源、变压器等电气设备共用一种数据库结构，数据库的字段分别对应变电站主接线图上电气元件的电气属性和图形属性。

根据电气主接线网络图形和拓扑分析的要求，把元件分为节点类和支路类。

节点类元件:母线。在数据表中，对于母线电气属性设置如下:名称，母线的电压等级，母线的运行状态(是否带电运行)，母线编号，与其相连的母联开关的信息(此信息可存在可不存在)等。图形属性设置如下:元件类型号，图元句柄，起点横坐标x1，起点纵坐标y1，终点横坐标x2，终点纵坐标y2。

支路类元件又分为3 种:单端口支路元件类，阻抗支路元件类和零阻抗支路元件类。

单端口元件类:电源等。在数据表中，电源电气属性设置如下:名称，接入母线的电压等级，额定功率，运行状态等。图形属性设置如下:元件类型号，图元句柄，电源块插入点横坐标x1，纵坐标y1。

阻抗支路元件类:它又分为双端口阻抗元件和三端口阻抗元件。对于双端口阻抗元件双绕组变压器而言，电气属性设置如下:名称，额定容量，高压接入母线的额定电压，低压接入母线的额定电压，是否投切，接地状态，短路电压百分数，绕组的接线方式，图形属性设置如下:元件类型号，图元句柄，起点横坐标x1，起点纵坐标y1，终点坐标横坐标x2，终点纵坐标y2。

三绕组变压器，电气属性与双绕组变压器类似，电气属性增加了一个额定电压等级数据并增加了一条虚拟母线。图形属性增加了一端点横坐标x3，端点纵坐标y3。

零阻抗支路元件类:断路器和开关元件等。以开关元件为例，电气属性设置如下:额定电压等级，类别(母联开关、出线开关、分段开关、联络开关)，运行状态(闭合、断开)。图形属性设置如下:元件类型号，图元句柄，起点横坐标x1，起点纵坐标y1，终点坐标横坐标x2，终点纵坐标y2。

电气主接线图中电容、电感等其他元件在数据表中的设置可参见软件说明，此处从略。

1.2 创建数据库的ADO 连接

VBA 应用内置的microsoft．jet．oledb．4．0实现对access 数据库的访问，访问数据库的技术有很多种，本软件用ADO，ADO 是在Autocad VBA 中开发数据库应用程序最好的技术，ADO 提供一个能够在应用程序中使用数据库的编程模型，利用ADO 编程模型可以完成访问和更新数据源的工作。要在VBA 中使用ADO，首先必须在VBA工程中引用ADO 对象库。要添加对ADO 对象的引用，可在VBA 中选择“工具”|“引用”命令，打开“引用”对话框，在“可使用的引用”列表框中选择要引用的ADO 对象库。

2 电气主接线的实现

生成变电站主接线图的方式有两种:一种是在作图过程中定义图元设备的连接关系，图形绘制完成时，拓扑定义同时也完成。另一种方式就是鼠标点击定位使图元的坐标严格定位，在作图时不用定义图元设备的连接关系，程序根据图元的坐标关系自动生成变电站主接线图。前一种方式是半自动的，定义的工作量比较大，容易出错。后一种方式实现了全自动生成，但是对于大型电网主接线图的形成比较耗时，如何提高运算速度还有待研究。本程序采用后一种方式实现电气主接线的生成。

首先描述一下生成变电站站主接线图的思想。绘制电气主接线图时从图元菜单中选取对象单元、在绘图区点击定位后即可以画出该图形，逐个选取图元绘制，就形成了完整的电气主接线图，每个图元都有编辑功能，且带有属性、方法和事件。以图元为单位的模型更直观形象，更符合面向对象的设计思想。例如，用矩形代表断路器图元。每个图元都代表真实的电力设备，如电源、发电机、变压器、断路器、隔离开关等图元。

另外，在利用各对象图元绘制接线图时，具体规则是:对于单端口元件电源来说，电源图元的一个端点就是结点，且电源图元只能以结点为顶点，其他元件与电源图元相连，只能通过结点，结点不能出现在电源图元的中间。对于双端口元件来说，每个双端口元件的图元的两端都是结点，且双端口元件的图元只能以结点为顶点，结点不能出现在双端口元件的图元中间。对于三端口元件来说，每个三端口图元的3 个端点都是结点，且三端口元件的图元只能以结点为顶点，结点不能出现在三端口元件的图元中间。

3 基于母线的快速拓扑分析

网络拓扑分析的实质是设备之间的连接关系描述的物理模型转为用等值节点之间连接关系描述的数学模型。传统拓扑分析采用堆栈技术和深度优先的搜索算法，文献［7］采用基于节点融合拓扑分析方法，忽略了端口支路，如三相变压器对拓扑过程的影响。而基于母线的快速拓扑分析方法可以弥补这一缺陷。

3.1 基于母线进行拓扑分析

从节点导纳矩阵法的原理可以看出，节点和系统发生短路点基本一致，所以有可能发生短路的点在计算时均应被看作一个节点，比如各条母线、变压器高低压侧、发电机出口等。而对于自耦变压器和三绕组变压器等三端元件而言，因其经过网络变换后会产生出来一个额外的节点，而且该节点必须被纳入节点导纳矩阵进行计算，但是此节点与系统发生短路点不一致，所以不被列为短路点。

依据上述条件，节点产生的原则可以归纳如下:每条母线都可以看作一个节点;对于中间没有母线的元件连接，比如电源和变压器的连接，其连接点在计算时被当做母线处理;对于三端口元件，认为其有3 个中间元件组成，并且包含一条虚拟母线，其虚拟母线可以看作一个节点。

3.2 基于母线进行拓扑分析的实现

(1)遍历Autocad 中modelspace 中的母线，赋予母线编号，母线编号从1 出发，从此母线结点出发，遍历数据库，把通过闭合开关或其他零阻抗元件与此母线连接在一起的母线找出来，并且赋予相同的母线编号。

(2)再从另一未赋值的母线出发，采用同样的搜索方法，直到所有的母线都被分配编号。

(3)把所有的母线对象看作节点对象，遍历modelspace 中N 个电气元件，遇到投运的双绕组变压器等双端口元件时，把其端点坐标作为起始条件，遍历数据库，找到与其端点相连的母线，则母线编号即为此双端口元件的节点编号;遇到投运的电源等单端口元件时，同样以端口坐标作为起始条件，遍历数据库，查找与其相连的母线编号;遇到投运的三绕组变压器等三端口元件，同样把端口坐标作为起始点条件，遍历数据库，找到与其端点相连的母线，并且增加一条虚拟母线，同时虚拟母线编号为已经分配母线编号最大值加1。元件搜索算法的流程如图1 所示。停止搜索条件为:遇到联络开关或断开开关。

图1 元件搜索算法流程

4 短路电流的计算

计算短路电流的方法不一，利用计算机进行短路电流计算以节点阻抗矩阵方法［8］和节点导纳矩阵方法［8］最为常用，本程序短路电流计算的实现是依据节点导纳矩阵方法。节点导纳矩阵是十分稀疏的，所以占用计算机存储量不大，而且节点导纳矩阵极易形成，网络结构变化时也易于修改。节点导纳矩阵方法:

若故障种类为三相短路，设故障点为f，应用节点导纳矩阵计算短路电流，实质上是先用它计算与短路点f 有关的第f 列元素:Z1f～Znf。由式(1)知，若已知节点阻抗矩阵的对角元素，可以方便地求得任一点短路的短路电流。由节点阻抗矩阵元素的定义可知，Z1f～Znf是在点f 通以单位电流(其他节点电流均为0)时1～n 点的电压，由式(2)知，求得的即Z1f～Znf。计算不同节点短路时的短路电流，方程的不同处只在于方程右端的常数相量中1 所在的行数(对应短路节点号)不同。求解式(2)的线性方程组，本软件采用因子表法［8］。

式中:Zff为电网对短路点的等值阻抗。

若故障类型为不对称故障，则根据对称分量法可知，把故障网络分解为正序网络、负序网络和零序网络，由网络拓扑形成3 个序网的节点导纳矩阵后，形成因子表。利用三序网的因子表即可求得故障端点的等值阻抗。由此可以计算单相短路、两相短路和两相短路接地等故障情况下的短路电流。

短路电流计算程序与设备图元数据库相结合有很多优点:计算效率高，比手工的效率提高数10 倍;可以计算节点数目任意的网络;方便用户输入原始数据，避免出错;灵活性比较强，可以随便搭建模型;符合设计工作者习惯。

5 算例验证

图2 所示的简单系统作为例题，f 点在母线上，视作短路点，发电机中性点接地;发电机的参数为:SN=120 MVA，UN=10．5 kV，E1=1．67，X1=0．9，X2=0．45;变压器T-1 的参数:SN=60 MVA，Us%=10．5，kT1=10．5/115;变压器T-2 的参数为:SN=60 MVA，Us%=10．5，kT1=115/6．3;线路每回路的参数为:l=105 km，x1=0．4 Ω/km，x0=3x1;负荷LD-1 的参数为:SN=60 MVA，X1=1．2，X2=0．35;负荷LD-2的参数为:SN=40 MVA，X1=1．2，X2=0．35。

图2 简单电力系统

在计算f 点的三相、两相、两相接地及单相短路电流时，取基准值SB=120 MVA，UB=Uav。实际计算结果与软件计算结果作对比，如表1 所示。可见，实际计算结果与软件计算结果完全一致。

表1 实际计算结果和软件计算结果的比较

短路电流计算程序基于对称分量法编写而成，使用的算法比较成熟，计算结果的准确性也通过多次使用该程序得到了验证。

6 结论

本文将最新的面向对象技术、计算机图形处理技术及数据库技术引入到短路电流计算中，指出了如何设计图元数据库，给出了智能建模的方法，实现了设备图元与数据库的动态关联，从而不仅方便了电气主线图的生成，而且可通过图形界面对电气主接线图上每个设备图元的状态进行直观地操作。本文还基于图形平台上设备图元的连接关系和变电站主接线图中母线的特征，提出了基于母线的快速拓扑分析方法，该方法克服了传统拓扑过程中重复搜索支路的特点，简化了程序。最后，通过实际算例，验证了短路电流计算程序的正确性和有效性。短路电流计算程序的开发不仅大大提高了电气设计人员的工作效率，而且对变电站一次设计有重要的理论意义和实用价值。

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